автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Автоматизированное проектирование пространственно распределенных многофакторных динамических систем с использованием имитационного моделирования и ГИС-технологий

Духанов Алексей Валентинович

Автоматизированное проектирование пространственно распределенных многофакторных динамических систем с использованием имитационного моделирования и ГИС-технологий (по данным Владимирской области)

Специальность 05.13.12. - системы автоматизации проектирования

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2003

Работа выполнена во Владимирском государственном университете на кафедре «Физика и прикладная математика».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук, профессор

Аракелян Сергей Мартиросович

доктор технических наук, профессор Шалумов Александр Славович

доктор технических наук, профессор Филаретов Геннадий Федорович

Государственный научно-исследовательский институт информационных технологий и телекоммуникаций (ГНИИ ИТТ «Информика») г.Москва

Защита диссертации состоится _ М/О 2003 г. в на

заседании диссертационного совета Д 212.133.03 Московского государственного института электроники и математики (технического университета) по адресу: 109028, Москва, Б.Трёхсвятительский пер., дом 3/12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института электроники и математики (технического университета).

Автореферат разослан 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических {шук,

доцент "///. лцл р^й^ И.В.Прокофьев

«ш»ук, I

Ъьо^Гг

О.аоЗ-Д

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Одну из сторон научно-технического прогресса можно характеризовать широким применением современных информационных технологий для проектирования и анализа пространственно-распределенных динамических многофакторных систем. Для формализации таких систем и, соответственно, улучшения эффективности их функционирования, как правило, требуется вывод достаточно общих закономерностей, которые при математической формулировке задачи должны быть сведены к известным зависимостям. Для большинства рассматриваемых в диссертационной работе систем, например, социально-экономических, в силу их специфики, многофакторности и чувствительности к изменению внешних условий, вывод постоянно действующих закономерностей весьма затруднителен. Более того, такие системы взаимосвязаны с другими системами того же, более низкого или более высокого уровня. Поэтому разработка и создание достаточно общих методик применения современных информационных технологий и математического обеспечения, и разработка программных средств моделирования, анализа и прогнозирования для проектирования подобных пространственно-распределенных динамических многофакторных систем является актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является разработка модели оценки качества, алгоритмов имитационного моделирования и прогнозирования, подходов и методик использования географических информационных систем - ГИС-технологий, а также соответствующих программных средств для автоматизированного проектирования ресурсозависимых прострайственно-распределенных многофакторных динамических систем.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

• разработан метод преобразования динамических моделей, созданных на базе методов системной динамики, в коды компиляторов языков программирования высокого уровня;

• созданы алгоритмы для прогнозирования значений управляющих параметров на базе линейных многофакторных моделей с учетом колебаний и временных лагов для выявленных значимых факторов;

• предложена методика распределения ресурса изучаемой социально-экономической системы с учетом инфляционной поправки для многофакторной системы на базе созданной статистической модели с критериями оценки качества ее функционирования, сформулированными экспертами;

• разработаны алгоритмы применения ГИС-технологий для проектирования транспортировки ресурса в сетях с узлами снабжения; __————,

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С.Пет«р§урГ /V) з оэ Щ) |

• созданы на основе алгоритмических языков высокого уровня программные средства моделирования, анализа и прогнозирования значений управляющих параметров сложных систем на базе линейных многофакторных моделей и методов системной динамики, направленных на решение различных задач, включая проектирование пространственно-распределенных динамических многофакторных систем с использованием ГИС-технологий.

Научная новизна работы определяется решением сформулированных задач с помощью соответствующих адекватных методов на базе ,

математических подходов и современных информационных технологий и сводится к следующему:

• развиты методы системной динамики для задач

автоматизированного проектирования пространственно- '

распределенных динамических систем;

• созданы алгоритмы для прогнозирования значений управляющих параметров и оценки соответствующих доверительных интервалов на базе линейных многофакторных моделей, которые учитывают временные лаги выделенных значимых факторов;

• разработана модель с критериями оценки качества функционирования многофакторной ресурсозависимой системы (на основе экспертных оценок для социально-экономической системы) и алгоритмы распределения ресурса с учетом изменения его стоимости.

Практическая ценность работы заключается в разработке алгоритмов и в создании с помощью алгоритмических языков высокого уровня и ГИС-технологий программных средств моделирования, анализа и прогнозирования параметров сложных систем на базе линейных многофакторных моделей и методов системной динамики, которые позволяют осуществлять рациональное проектирование процессов, лежащих в основе управления пространственно распределенными динамическими системами с целью 1

повышения их качества, а также снижения соответствующих затрат ресурсов. Созданный метод преобразования имитационных моделей в коды компиляторов алгоритмических языков высокого уровня позволяет значительно снизить трудозатраты и стоимость программных комплексов, содержащих такие модели.

Реализация и внедрение результатов

Разработанные в диссертации модели, алгоритмы, программные и методические средства использовались при выполнении госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работ с участием автора в рамках ряда НТП Минобразования России и региональных программ.

Основные результаты работы внедрены в Счетной палате Владимирской области (получена свидетельство на официальную регистрацию программы на ЭВМ №2003611467) и в Департаменте образования Администрации Владимирской области, а также в Минобразовании России, во Владимирском государственном университете.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на следующих научно-технических совещаниях и конференциях:

- V международная конференция «Математические методы и информационные технологии в экономике», Пенза 2000;

- IV международная конференция «Идентификация систем и задачи управления», Москва, 26-28 сентября 2000 ИПУ им. Трапезникова РАН;

- международная конференция «Гибридные системы MODEL VISION STUDIUM», Санкт-Петербург, 7-9 июня, 2001 г.

- международная конференция «Телематика 2001», Санкт-Петербург, 18-21 июня 2001 г;

- Всероссийская конференция «Телематика 2002» Санкт-Петербург, 3-6 июня 2002 г;

- Всероссийская конференция «Научные основы федерально-региональной политики в области образования», Владимир,

5-8 февраля 2002 г.

- международная конференция «Финансовый контроль и новые информационные технологии», Суздаль, 9-12 февраля, 2002 г.

- Всероссийская конференция «Современная образовательная среда», Москва, ВВЦ, 1-4 ноября 2002 г;

- II международная выставка-конференция «Информационные технологии и телекоммуникации в образовании», Москва,

6-9 апреля, 2000 г;

- III выставка-ярмарка «Современная образовательная среда», Москва, ВВЦ, 21-24 ноября 2001 г;

- IV выставка-ярмарка «Современная образовательная среда», Москва, ВВЦ, 1-4 ноября 2002 г.

- Всероссийская конференция «Телематика 2003» Санкт-Петербург, 14-17 апреля 2003 г;

- Всероссийская конференция-семинар «Российские регионы в современной системе непрерывного образования - на пути создания информационного общества», Владимир, 12-14 мая 2003 г.

На защиту выносятся:

• метод преобразования имитационных моделей, реализованных на базе подходов системной динамики, в коды для компиляторов алгоритмических языков высокого уровня;

• модель с критериями оценки качества функционирования многофакторной ресурсозависимой системы (на основе экспертных оценок) и алгоритмы распределения ресурса с учетом инфляционной поправки (на примере социально-экономической системы по данным Владимирской области);

• алгоритмы моделирования и прогнозирования динамических многофакторных систем на базе методов системной динамики и линейных многофакторных моделей с применением языков программирования высокого уровня;

• алгоритмы применения ГИС-технологий для проектирования транспортировки ресурса в пространственно-распределенных сетях с узлами снабжения.

Публикации

Основные результаты работы опубликованы в 23 изданиях, в т.ч. одной монографии, 13 статьях, а также представлены в научно-технических отчетах НИР в рамках ряда НТП Минобразования России и по региональным научно-техническим программам. Принципиальными для диссертации являются 8 публикаций, которые приведены в конце автореферата.

Объем и структура диссертации

Диссертация изложена на 171 страницах машинописного текста. Состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Список литературы содержит 101 наименование. Таблиц 17, рисунков 28.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы. Сформулированы цели и основные задачи исследований.

В первой главе, являющейся обзорной, проводится обсуждение известных из литературы методов и средств моделирования, анализа, 1

прогнозирования и проектирования пространственно-распределенных динамических многофакторных систем. Дается также краткая характеристика некоторых таких систем, исходные данные которых используются в диссертационной работе.

Рассматриваемые в этой главе методы и средства моделирования, анализа, прогнозирования и проектирования разделяются на классические и имитационные. Из классических представлены методы статистического и регрессионного анализа, методы линейного программирования. Имитационные модели обсуждаются на базе современных подходов структурного проектирования. Показана эффективность их совместного использования в рамках существующих процедур.

Имитационное моделирование сложных систем рассматривается на основе методологии системной динамики. Она позволяет создавать модели сложных многопараметрических систем, в том числе с обратной связью, на основе переменных двух типов - «уровней» и «темпов». Составляемые при их помощи модели реализуются в виде потоковых диаграмм, которые широко используются в ряде программных пакетов имитационного моделирования. Одним из таких пакетов, является PowerSim Constructor (PSC).

Непосредственное обоснование методов системной динамики с помощью обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка для целей математического моделирования обсуждается в данной главе в аспекте рассмотрения пространственно-распределенных многофакторных динамических систем.

Приводится также описание наиболее часто используемых геоинформационных систем (ГИС) для решения картографических задач разного уровня. Среди них особое внимание уделено возможностям программного пакета «ArcView GIS 3.0», который позволяет решать задачи повышенной сложности в рассматриваемой области на базе доступной широкому кругу пользователей аппаратной части. Выбор данного пакета в качестве рабочего в представляемой диссертационной работе был обусловлен и тем обстоятельством, что он является открытой системой, легко актуализируется и допускает расширение круга решаемых задач. Оно достигается с помощью ряда приложений - Network Analyst, Dialog Designer и др. Другое достоинство данной ГИС - возможность программирования различных сценариев с использованием всех ресурсов электронных географических карт, что активно использовалось в данной диссертации.

Рассмотренные методики используются в диссертации для , анализа региональных бюджетных и социально-экономических процессов по данным Владимирской области, а также для изучения некоторых процессов при функционировании образовательного учреждения (ОУ), как примера системы с пространственно-распределенными ресурсами. Кроме обсуждения соответствующих методов моделирования и прогнозирования, приводится также анализ методик оценки качества и эффективности их функционирования на основе экспертных оценок.

Эти методики основываются на соответствующих критериях качества образования (КО), для которых приведен сравнительный анализ. Он показывает, что наиболее адекватным для математического моделирования процессов (в образовании) при функционировании систем, рассматриваемых в диссертации, является метод проведения самоанализа деятельное™ конкретного образовательного учреждения. В нем предлагаются шесть подкритериев КО, которые характеризуют результативность деятельности ОУ, и 20 параметров, от которых данные подкритерии могут зависеть.

Показана важная роль межбюджетных отношений для функционирования системы образования в условиях развития

многоуровневых социально-экономических процессов в регионе в целом. Выполнен обзор известных программных средств, позволяющих моделировать данные процессы. Однако, в перечне решаемых данным программным обеспечением стандартных задач не находят отражения некоторые принципиальные вопросы. В частности, речь идет о задачах разработки алгоритмов и программных средств динамического и статистического моделирования, прогнозирования для проектирования данных процессов в подобных системах с учетом их пространственного распределения, для которых должны быть использованы современные информационные технологии на базе методов системной динамики и ГИС -технологий с помощью языков программирования высокого уровня.

Во второй главе осуществляется результаты по разработке математического аппарата для моделирования, анализа, прогнозирования и проектирования пространственно-распределенных, динамических, 1

многофакторных систем.

Создана методика прогнозирования параметров широкого класса систем на базе линейных многофакторных систем с учетом колебаний и временных лагов для значимых факторов. При этом прогнозные соотношения имеют следующий вид:

на соответствующий временной лаг т, ;

а, - регрессионный коэффициент для / - го параметра; ад - некоторый свободный коэффициент, определяемый спецификой задачи.

Для данного вида прогнозных зависимостей получено соотношение для расчета прогнозной ошибки:

0)

где

У (?) - расчетное значение прогнозного параметра в момент времени I; I - прогнозный период; и - количество параметров модели;

г* - временной лаг для / - го (/ = !,«) параметра х1, определяемый

корреляционным анализом;

*/'(? ~ г/ ) " значение / - го параметра в момент времени t с поправкой

8 =

¿(У;-п - У*Л + "-¿(^-п " УЧ '

}=0 Л + 1 1=о

где

е - прогнозная ошибка;

t] = li - max г, ;

i=\,n

f j - длина исторического диапазона;

Уj-г) " фактическое значение прогнозного параметра в момент времени

j - г), входящего в исторический диапазон с учетом максимального *

временного лага max г,- ;

/=1,н

у'j_n - прогнозное значение параметра, рассчитанное при помощи соотношения (1) в момент времени j — tj.

у - среднее значение прогнозного параметра в историческом диапазоне

♦

с учетом максимального временного лага max Tj .

i=\,n

На основании соотношения (2) определяется выражение для вычисления соответствующих доверительных интервалов.

Разработана модель с критериями оценки качества функционирования ресурсообеспечиваемой системы с учетом экспертных оценок и изменений стоимости ресурса. В данной модели предусматривается, что критерий может состоять из ряда отдельных подкритериев.

Модель представляет собой линейную функцию

R Ч га "г

Kjt)= + ". (3)

П/Гw

T—/j + 1

где pt,s = ],q - доля ресурса системы, выделяемая на 5-й канал (управляющий параметр модели); t - период времени; В - величина ресурса системы;

сь, I — l,m, i = \,пг - нормированная экспертная оценка, показывающая влияние г-го фактора на /-йподкритерий;

пг - количество ресурсозависимых факторов;

аь,1 = 1,т, / = 1,и, - регрессионный коэффициент для / -го фактора для I -го подкритерия;

Q„,s — \,q,i='\,nr - коэффициент перераспределения доли ресурса, направленной на s -й канал на i -й ресурсозависимый фактор;

ai,i = l,nr - регрессионный коэффициент для доли ресурса (определяемой перераспределением), направленной на i -й ресурсозависимый фактор;

1Т - индекс изменения стоимости ресурса (например, фактор инфляции или дефляции для социально-экономических систем) в периоде г;

Н - константа, определяемая ресурсонезавимимыми факторами с соответствующими экспертными оценками и свободными членами модели.

Для модели (3) с помощью экспертных оценок определяются условия, при которых возможна постановка задачи наиболее целесообразного (оптимального) распределения ресурса по каналам системы с целью максимизации критерия качества. Она сводится к задаче линейного программирования, для которой кроме целевой функции (3) существует следующее ограничение для введенных ранее параметров р:

Рви>аг (4)

где 1/ - некоторая матрица, формирующая левые части неравенств, определяющих существующие ограничения;

с1 - вектор-столбец ограничений.

Завершается вторая глава разработкой математического аппарата для проектирования рациональной транспортировки ресурсов в пространственно-распределенной системе.

Для достижения этой цели данная пространственно-распределенная система рассматривается в представлении теории графов, т.е. изображается как сеть, содержащая узлы двух типов: центральных -ресурсообеспечивающих, и второстепенных - ресурсообеспечиваемых. Узлы произвольным образом связаны ребрами, которые характеризуются длиной, типом и другими параметрами. Сеть также разбита на подсети. Предполагается разбиение подсетей на домены, в которых обязательно должен содержаться центральный узел.

Математическая постановка задачи для домена определяется следующими соотношениями:

т-1

/ = Е/«<о«(»1)-*и"п (5)

1=1

= _ (6)

где

т - общее количество узлов, которые обходятся при транспортировке ресурса;

g(k) - табличная функция, определяющая набор из т номеров в О -множестве узлов, которые обходятся при транспортировке ресурса;

,/ = \,п, I = 1,и, /' * } - расстояние между / - ми _/' - м узлами (если прямого транспортного сообщения между узлами не существует, то принимается, что 1и = -1);

/ - расстояние, проходимое при транспортировке ресурса.

Такая задача носит название «коммивояжера». Она решается с помощью известных рекурсивных алгоритмов или методик, вытекающих из известного принципа оптимальности Беллмана.

На основании найденного решения (5) при условии (6) вычисляется размер затрат на транспортировку ресурсов в домене как функция от / *.

М=/*£ска1, (7)

1=1

где

д - количество типов транспортных средств, доступных для транспортировки;

ск,к = 1,<7 - стоимость перевозки к-м видом транспорта на единицу I расстояния;

а\,к-1,<7 " количество единиц транспортных средств к -го типа, необходимых для полного распределения ресурса. в При решении задачи о транспортировке ресурса, т.е. для нахождения

величин а'к,к = ],д в диссертации формулируется соответствующая задача линейного программирования.

В третьей главе осуществляется разработка алгоритмов и методик моделирования, анализа, прогнозирования и проектирования на базе методов системной динамики, а также с использованием математического обеспечения на основе аппарата, приведенного во второй главе. Эти задачи решаются с применением ГИС-технологий и языков программирования высокого уровня.

Разработан метод преобразования моделей, реализованных с помощью методов системной динамики, в коды для компиляторов языка высокого уровня.

Основной частью данного преобразования являлось определение правил очередности вычислений уровней относительно темпов в пределах одного шага моделирования. Установлено, что в разных пакетах моделирования правила различны и/или сводятся к двум разновидностям: уровни вычисляются первыми, темпы вторыми, или наоборот. Кроме того, данные пакеты отличаются друг от друга способами вычислений переменных (т.е. уровней и темпов) модели на начальном, инициализационном шаге.

Для широко применяемого и рассмотренного в гл. 1 пакета имитационного моделирования Р8С - экспериментально было установлено, что для любого шага в первую очередь вычисляются уровни, лишь затем темпы. На основании такого правила и созданной методики автоматизированного упорядочения вычислений темпов и вспомогательных переменных был определен метод преобразования диаграмм имитационных моделей, представляемых в виде системы нотаций, принятых в пакете РБС, в коды для языков программирования высокого уровня. Речь идет о перечисленных ниже следующих позициях.

1. «Переписывание» соотношений интегрирования, представляемых

в Р8С.

2. Объявление переменных модели (включая переменные-конверторы).

3. Объявление и определение процедуры (метода) инициализации уровней.

4. Перестановка соотношений интегрирования с целью достижения определенного порядка вычислений.

5. Оформление переставленных соотношений в виде процедуры (метода) и ее объявление.

6. Объявление и определение другой процедуры (метода) для ее многократного вызова.

Таким образом, полученные результаты позволяют осуществлять 4

разработку имитационных моделей на базе методов системной динамики и соответствующего математического аппарата при использовании языков программирования высокого уровня.

Эффективность данного метода также проявляется при многократном 1

использовании таких моделей, когда обмен больших объемов информации между приложениями замедляет работу соответствующего программного комплекса. Практическая ценность метода заключается в значительном снижении трудозатрат и стоимости программных средств, содержащих имитационные модели, т.к. не требуется использование уникальных и дорогостоящих пакетов.

Другая задача, рассмотренная в данной главе, - разрабо тка алгоритмов и методик имитационного и прогнозного моделирования динамических многофакторных систем для проектирования и создания соответствующих программных средств непосредственного практического использования.

При разработке блока поиска прогнозных зависимостей с помощью соотношений (1), (2) используется специально созданный алгоритм определения наилучшей комбинации факторов с целью снижения оцениваемой ошибки прогноза.

Предлагаемые методики автоматизированного поиска прогнозных зависимостей в рамках разработанной динамической модели представляют самостоятельный интерес и являются сами по себе мощным инструментам для расчета параметров динамической многофакторной системы при ее I

проектировании. Их роль существенно возрастает при совместном использовании с имитационными моделями, что также рассмотрено в диссертации, где разработаны соответствующие алгоритмы реализации подобной процедуры.

Завершается третья глава разработкой алгоритмов и методики пространственного моделирования и проектирования сложных систем с применением ГИС-технологий.

В этом аспекте рассматривается достаточно общий проект типовой информационно-аналитической системы для пространственного проектирования и моделирования, состоящий из следующих компонент: 1) слоев электронных географических карт (точечных, полилинейных

и полигональных);

2) баз данных, привязанных к этим географическим картам;

3) аналитического блока.

Для первых двух компонент, являющихся в целом стандартными, обсуждается возможность связи одного конкретного объекта, имеющегося на электронной географической карте, например населенного пункта, с несколькими подчиненными объектами, информация о которых хранится в базе данных.

Основной оригинальной компонентой системы, разработанной в диссертации, является аналитический блок, который направлен на решение задачи оптимального переноса ресурса. Данная задача в математическом аспекте обсуждалась во второй главе. Здесь же речь идет о разбиении рассматриваемых подсетей на домены, а также о нахождении в последних структурах оптимальных маршрутов.

Алгоритм разбиения подсетей на домены, блок-схема которого представлена на диаграмме рис. 1, предусматривает отбор второстепенных узлов домена по мере удаления от центрального узла с проверкой соответствующих условий, налагаемых конкретной спецификой задачи.

' Г Начало |

т-2

Выбор следующего ближаишего узла

т = т +1

Добавление т -го узла в домен

[ Конец |

Рис. I. Алгоритм — диаграмма формирования доменов

Параметры рис. 1 таковы: m - текущий рассматриваемый узел; dm -спрос на ресурс в т-м узле; D - суммарный спрос по всем пройденным узлам; RmaK - максимально допустимое расстояние между второстепенным узлом и центральным; R, т - расстояние между центральным узлом и текущим второстепенным. Остальные обозначения были определены ранее.

В случае, когда такое разбиение не охватывает всех второстепенных узлов, предусматривается добавление новых доменов с определением соответствующих центральных узлов.

Автоматизация решения задачи «коммивояжера» (выражения (5), (6)) для конкретного домена возможна в формате ГИС ArcView с помощью j

соответствующего встроенного средства пространственного сетевого анализа «Network Analyst», которое требует представления исходных данных в виде j

полилинейного слоя, и языка программирования «Avenue». Этот подход также проанализирован в диссертации и использован на конкретных У

примерах в следующей главе.

В заключительной, четвертой главе, речь идет о применении разработанных в диссертации моделей, алгоритмов и методик создания программных средств, для автоматизированного проектирования и моделирования конкретных процессов в динамических многофакторных пространственно-распределенных системах, а также для прогнозирования их развития и программно-аналитического сопровождения.

Рассматриваются три типа задач по данным Владимирской области -во-первых, моделирование и прогнозирование бюджетных и социально-экономических процессов, во-вторых, пространственное моделирование региональной телекоммуникационной системы, и в-третьих, пространственное моделирование образовательных процессов на основе реально-существующих региональных образовательных ресурсов, включая повышение их эффективности и качества.

В параграфе 4.1 обсуждается разработанная система моделирования, ,

анализа и прогнозирования бюджетных и социально-экономических процессов для проектирования регионального бюджета Владимирской области. !

Задача разделена на три этапа:

1) преобразование ранее подготовленной в пакете PSC имитационной модели в код для компилятора алгоритмического языка высокого уровня;

2) разработка специализированного «мастера» поиска прогнозных зависимостей для автоматизированного получения соответствующих линейных моделей;

3) компоновка системы.

Первый этап выполнен на основе метода, представленного в третьей

главе.

Второй этап содержит разработку автоматизированного блока последовательно-сменяющихся «окон» настроек списков параметров и соответствующих групп факторов. Хотя «мастер» привязан к конкретной системе с соответствующей терминологией - налоги, параметры социально-экономического развития, муниципальные образования и т.д., но, тем не менее, остается универсальным для решения подобных задач и для других многофакторных систем.

Третий этап включает в себя объединенные блоки моделирования и поиска прогнозных зависимостей скомпонованные в единый программно-аналитический комплекс по сопровождению региональной системы бюджетных и социально-экономических процессов.

В параграфе 4.2 речь идет о разработке математической модели с подкритериями оценки качества деятельности ОУ - для повышения эффективности и качества образования.

Для разработки модели были использованы 20 параметров деятельности ОУ, определенных на основе экспертных оценок и которые по своему характеру подразделены на две группы - «финансируемые», т.е. ресурсозависимые, и «нефинансируемые», т.е. внутренние параметры системы. Анализ основывался на шести подкритериях качества образования.

Модель, созданная на базе соотношения (3), описывается следующей аналитической зависимостью:

и 6 (10 Л

IV,а,

м '=1 ЧИ J.

+ Н, (8)

где Кт - интегральный критерий качества образования;

I - период времени, для которого рассматривается функционирование образовательного процесса;

Р,,,1 = \, 17 - доли распределения бюджетных средств ОУ по статьям расходов, которые играют роль каналов системы; В, - величина бюджета ОУ;

Р /, / = 1,6 - весовые коэффициенты для критериев оценки КО;

Ау,1 = 1,6; у = 1,10 - поправочные коэффициенты между

«финансируемыми» параметрами и подкритериями КО (определяются из статистических данных);

Оу,У = 1,10 - регрессионные коэффициенты между ] -м

«финансируемым» параметром и суммой средств, определяемых для данного параметра;

<2у, / = 1,17; у' = 1,10 - коэффициент перераспределения средств с 1-я

статьи расходов на у-й параметр, непосредственно зависящий от финансирования;

/„ - индекс инфляции в периоде I .по отношению к базовому периоду.

Н - константа, содержащая нефинансируемые параметры и свободные регрессионные коэффициенты.

Разработка модели, в рамках которой определяются критерии оценки КО, требует проведения анализа экспертных оценок влияния параметров деятельности ОУ на подкритерии. Такой анализ проведен в диссертации и показал, что наблюдается превалирование «финансируемых» (ресурсозависимых) параметров над «нефинансируемыми», а также - что вклады подкритериев в оценку КО почти равноценны.

Таким образом, можно решать оптимизационную задачу с критерием эффективности (8) и ограничениями на доли Р, распределения бюджетных средств ОУ по статьям расходов (/): 17

1^ = 1; /=1

Р{ >!>,•, / = 1..17, * (9)

Р3 = 0.356 -{Р^+РгУ,

где __

£)/,/ = 1,17,/5*3 - минимально-допустимые доли распределения бюджета для функционирования ОУ.

Данные ограничения позволяют не допускать перерасхода средств и определяют минимально необходимые доли бюджета практически по всем статьям рарходов; они формируют также средства для статьи «Начисления на заработную плату».

С помощью численного эксперимента на основе модели (8) и условий (9) были получены значения для критерия КО по разным годам, которые в виде соответствующих зависимостей приведенны на рис. 2.

| 30,00

Фактические и оптимальные критерии КО

1996 1997

-^Фактический ККО

год

^Оптимальный ККО

Рис. 2. Значения критерия оценки КО в разные годы

Таким образом, разработанная в диссертации математическая модель (8) позволяет производить оптимизацию распределения бюджетных средств на основе критериев КО.

В параграфе 4.3 приводятся результаты по созданию модели • региональной телекоммуникационной системы, ресурсы которой необходимы для нормального функционирования образовательной отрасли.

Модель содержит данные о пространственных объектах, находящихся в ведомственном подчинении ОАО "Электросвязь" Владимирской области, и географических объектов в форме их цифровых представлений (как R векторных, так и растровых). Модель построена на базе стандартного

программного пакета GIS Arc View.

В модели предусмотрена работа с электронными географическими картами различного масштаба, что позволяет получать более точную и информацию об объектах связи и проводить полный анализ их состояния.

Атрибутивная информация размещена в базе данных, которая привязана к соответствующим пространственным объектам. Для этой базы данных создан блок запросов, позволяющий извлекать необходимую информацию -например, количество квартирных телефонных номеров на 100 семей и т.д, что является показателем уровня развития телекоммуникаций в регионе. Кроме того, предусмотрены интерфейсы для актуализации данных.

Для работы с моделью для пользователя подготовлен необходимый инструментарий отображения электронных географических карт, ввода и печати информации. Реализованы различные уровни допуска пользователей к фрагментам данного программно-аналитического комплекса.

Таким образом, данная модель представляет собой открытую справочную систему телекоммуникационных ресурсов регионального уровня (на примере Владимирской области), позволяющую, в частности осуществлять информационное сопровождение и аналитическую поддержку «i при принятии соответствующих управленческих решений.

Завершается четвертая глава изложением принципиальных основ рационального проектирования при анализе процессов функционирования I ' пространственно-распределенных систем на примере программы «школьный

автобус» (параграф 4.4).

Для этой задачи с помощью методики, разработанной в третьей главе, создана модель (проект) пространственно-распределенной системы -образовательных ресурсов Владимирской области. В разных слоях электронной географической карты в рамках данной модели хранится географическая информация о региональной транспортной сети и населенных пунктах. К таким слоям привязаны подробные данные по образовательным ресурсам (общие данные по школам, информация о кадастровой оценке объектов недвижимости и т.д.). В совокупности с соответствующими слоями электронных географических карт такая база данных, содержащая блок запросов, представляет собой законченную открытую справочную систему по

образовательным учреждениям региона по данным Владимирской области (рис. 3).

Рис. 3. Схема пространственной модели образовательных ресурсов Владимирской области (проект «Школьный автобус»)

Аналитический блок, который является основной компонентой проекта, направлен на рациональное проектирование программы «школьный автобус». В математическом аспекте роль пространственной сети играют автомобильные дороги региона, а населенные пункты выполняют роль ее узлов. Границы районов определяют соответствующие подсети. Населенные пункты со школой представляют центральные узлы, остальные населенные пункты - второстепенные.

С помощью алгоритма, блок-схема которого представлена на рис. 1, подсети разбивались на домены, для которых были найдены соответствующие оптимальные маршруты перевозок учащихся.

Для расчета экономической эффективности принимаемых решений создана соответствующая модель, в основу которой положена математическая модель (3)) разработанная во второй главе. Результаты такого расчета для проекта «Школьный автобус» в сравнении с альтернативными затратами на программу строительства новых школ (по одной в каждом домене) представлены на рис. 4.

200000(1 1500000

1

^ 1000000 г

500000'

о

1 год 2 года 5 лет 8 дет 10 лег 15 лет 20 лет 30 лет В программа "школьный ввтоЛус" □ строительство и экспл. новых посол |

Рие. 4. Затраты на программу «Школьный автобус» в сравнении со строительстоом и эксплуатацией новых школ в селах (нарастающим итогом)

Они показывают возможность существенной экономии материальных средств при принятии решений на основе предложенного достаточно общего подхода для целей рационального проектирования данной пространственно-распределенной системы с применением геоинформационных технологий.

Адаптация разработанной системы, имеющей достаточно универсальное значение, под другие подобные задачи не представляет большого труда и заложено в алгоритм ее проектирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, сводятся к следующему.

1. Создана модель оценки качества функционирования многофакторной ресурсообеспечиваемой системы на базе линейных статистических моделей с учетом экспертных оценок, которая позволяет рационально распределять ресурсы системы. В качестве примера рассмотрена задача « определения критериев оценки качества функционирования

общеобразовательного учреждения (по данным Владимирской области).

I 2. Разработан метод преобразования имитационных моделей,

реализованных на базе методов системной динамики, в коды для компиляторов алгоритмических языков высокого уровня, что позволяет в значительной степени снизить трудозатраты и стоимость программных комплексов, содержащих такие модели.

3. Предложены алгоритмы автоматизированного рационального проектирования (с использованием ГИС-технологий) функционирования пространственно-распределенной системы, которая может быть представлена в виде группы подсетей, содержащих центральные снабжающие и второстепенные ресурсообеспечиваемые узлы. С помощью разработанных алгоритмов оказывается возможным рациональная транспортировка ресурсов в крупных сетях, которая была

продемонстрирована на примере программы «школьный автобус» и телекоммуникационной системы по данным Владимирской области.

4. Разработаны оригинальные подходы для проектирования и соответствующие алгоритмы для создания с помощью алгоритмических языков высокого уровня и ГИС-технологий программных средств моделирования, анализа и прогнозирования параметров сложных пространственно-распределенных динамических систем на базе линейных многофакторных моделей и методов системной динамики. Эти универсальные программные средства использованы для моделирования, анализа и прогнозирования < в конкретной задаче по бюджетным и социально-экономическим процессам регионального уровня (на примере Владимирской области).

5. Созданы программно-аналитические средства сопровождения на базе разработанных моделей и алгоритмов для рационального ' проектирования пространственно-распределенных многофакторных динамических систем в условиях ограниченности ресурсов, работа

которых продемонстрирована для ряда конкретных задач (по данным Владимирской области). Данная методика автоматизированного проектирования достаточно универсальна и доступна широкому кругу пользователей за счет низкой стоимости разработанных программных средств, использующих созданный метод преобразования динамических моделей в код алгоритмического языка.

Основные положения диссертации опубликованы в 23 работах, наиболее принципиальными из которых являются:

1. Чечеткин В.Д., Демидов К.В., Духанов A.B., Квасов Д.С., Рощин C.B., Демидова Е.А., Прокошев В.Г., Аракелян СМ. Использование современных технологий моделирования в задаче анализа и прогноза бюджетных и социально-экономических процессов во Владимирской области: Сб. трудов междунар. науч.-техн. конф. - М.: ИПУ

им. Трапезникова РАН, 2000. - С. 1831 - 1839.

2. Духанов A.B., Демидов К.В., Прокошев В.Г., Аракелян С.М. Преобразование системно-динамических моделей в код алгоритмического языка. Сб. науч. труд, в двух томах. - Владимир-М.: 2002. Т1.-С. 137- 143.

3. Духанов A.B., Квасов Д.С., Рощин C.B., Чечеткин В.Д. Использование современных технологий моделирования в задаче анализа и прогноза бюджетных и социально-экономических процессов во Владимирской области: Сб. трудов междунар. науч.-практич. конф. - Суздаль-М., 2002.

4. Духанов A.B., Аракелян СМ., Дудина Н.В., Прокошев В.Г., Субботина Е.В Эффективность образования в условиях ограниченного финансирования. //Школьные технологии. - 2002. №5. - С. 78 - 94.

5. Духанов A.B., Демидов КВ., Прокошев В.Г., Аракелян СМ. Разработка

научно-методических основ для решения задач управления в социально-экономических системах. Сб. науч. труд, в двух томах. - Владимир-М., 2002. Tl.-С. 459-473.

6. Духанов А.В, Рощин С. В., Кузмин О.В., Гандельсман И.А., Прокошев В.Г., Аракелян СМ., Коробко С.С. Разработка системы прогноза, мониторинга и анализа объектов недвижимости вузов Министерства образования. //Индустрия образования: Сб. статей. -2002. Вып. 5. - С. 155 - 160.

7. Аракелян СМ., Демидов К.В., Духанов A.B., Коровин А.Н., Прокошев В.Г., Рощин C.B., Труфанов C.B. Моделирование телекоммуникационной системы с применением ГИС-технологий: Монография. /Под ред. А.Н. Коровина. - M.: MAC, 2001. - 112 с.

8. A.B. Духанов, C.B. Рощин, O.A. Титова, Л.И. Рожкова, В.Г. Прокошев, >' СМ. Аракелян. Современные информационные технологии на службу

образованию. //Школьные технологии. - 2002. №5. - С. 232 - 237.

£

ПРИЛОЖЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ИНФОРМАЦИОННОЕ СОПРОВОЖДЕНИЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННО-РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ МНОГОФАКТОРНЫХ СИСТЕМ. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ

МЕТОДИК...........................................................................................................10

1.1. Современные подходы и методы моделирования и проектирования

сложных пространственно - распределенных многофакторных систем.............10

1 2. Примеры пространственно-распределенных динамических

многофакторных систем. Обзор существующих средств их

моделирования и анализа......................................................................................19

Выводы по главе 1 ......................................................................................................29

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

ПРОСТРАНСТВЕННО-РАСПРЕДЕЛЕННЫХ МНОГОФАКТОРНЫХ

СИСТЕМ...................................................................................................................30

2.1. Прогнозирование параметров систем на базе линейных многофакторных

моделей и оценка доверительных интервалов..................................................30

2.1.1. Прогнозная функция на базе линейных многофакторных моделей...........30

2.1.2. Оценка прогнозной ошибки и определение доверительных интервалов для линейных многофакторных моделей..................................33

2 2 Оценка качества функционирования ресурсообеспечиваемых систем на

базе линейных многофакгорных моделей с учетом мнения экспертов.

Оптимальное управление ресурсами.......................................................................35

2.2.1. Однокритериальная модель..........................................................................35

2 2 2. Многокритериальная модель.........................................................................39

2 2 3. Учет инфляционной составляющей...............................................................42

2.3. Оптимальный перенос ресурсов в пространственно-распределенной

системе................................................................................................................43

Выводы по главе 2.............................................................................................................47

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК И АЛГОРИТМОВ ИМИТАЦИОННОГО, ПРОГНОЗНОГО И ПРОСТРАНСТВЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ МНОГОФАКТОРНЫХ СИСТЕМ.................................................................................................................48

3.1. Преобразование динамических моделей в код алгоритмического языка

Pascal....................................................................................................................48

3.1.1. Анализ расчетов переменных системы при имитационном

моделировании...............................................................................................49

3.1 2. Разработка методики автоматизированного упорядочения

вычислений темпов и вспомогательных переменных................................55

3.2. Разработка алгоритмов имитационного и прогнозного моделирования многофакторных систем.................................................................................58

3.2.1. Поиск наилучшей комбинации факторов для прогноза параметра.........58

3.2.2. Разработка методики моделирования и прогнозирования динамических многофакторных систем...................................................62

3 3. Пространственное моделирование и проектирование систем с

применением ГИС-технологий......................................................................65

3 3). Слои электронных карт..................................................................66

3 3.2. База данных ...........................................................................................66

3 3 3. Аналитический блок.........................................................................67

Выводы по главе 3...........................................................................72

ГЛАВА 4 ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ

МНОГОФАКТОРНЫХ ПРОСТРАНСТВЕННО-РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ НА ПРИМЕРЕ МНОГОУРОВНЕВЫХ СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ (ПО ДАННЫМ ВЛАДИМИРСКОЙ » ОБЛАСТИ) ...............................................................................................73

4 1 Моделирование, анализ, прогноз бюджетных и социально-

экономических процессов для проектирования регионального бюджета на примере Владимирской области.................................................................73

4 1.1. Разработка мастера поиска прогнозных зависимостей................................74

4 12 Разработка системы анализа, моделирования, прогнозирования

социально-экономических процессов и проектирования

регионального бюджета.............................................................................76

4 1.3. Экспериментальная проверка применяемых методик

прогнозирования сложных систем и оценки доверительных интервалов в проектировании регионального бюджета на примере

фактических данных по Владимирской области..........................................79

4.2 Моделирование и повышение эффективности образовательного процесса.......82

4 2 1. Анализ параметров и экспертных оценок.....................................................83

4 2 2. Разработка математической модели критерия оценки качества

образования как показателя ресурсообеспечиваемой системы..................85

4 2 3 Учет инфляционной составляющей.............................................................88

4.2 4. Максимизация критерия оценки качества образования.............................89

4 2 5. Экспериментальные расчеты на базе математической модели

критерия оценки качества образования и анализ результатов...................91

4 2. Пространственное моделирование региональной телекоммуникационной

системы на примере Владимирской области .......................................................95

4 4 Рациональное проектирование функционирования пространственно-

1 распределенных систем на примере программы «Школьный автобус»...........103

4.4 1. Слои электронных карт...............................................................................103

4 4.2 База данных ................................................................................................104

4 4 3. Аналитический блок.................................................................................106

Выводы по главе 4..............................,...............................................................114

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...........................................................................................................116

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...................................................................118

Литература .......................................................................................118

\УеЬ-ссылки..................................................................................................126

ПРИЛОЖЕНИЯ...........................................................................................................128

*

. и

ЛР № 020275. Подписано в печать 19.09.03 Формат 60x84/16. Бумага для множит, техники. Гарнитура Тайме. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,39. Уч.-изд. л. 1,45. Тираж 100 экз.

Заказ £9£ ~£00Ъг Редакционно-издательский комплекс Владимирского государственного университета.

600000, Владимир, ул. Горького, 87.

*

»15441

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ИНФОРМАЦИОННОЕ СОПРОВОЖДЕНИЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННО-РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ МНОГОФАКТОРНЫХ СИСТЕМ. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДИК

1.1. Современные подходы и методы моделирования и проектирования сложных пространственно - распределенных многофакторных систем.

1.1.1. Моделирование сложных систем на базе регрессионного анализа и линейного программирования.

1.1.2. Имитационное моделирование на базе системной динамики.

1.1.3. Пространственное моделирование и проектирование на базе ГИС технологий.

1.1.4. ArcView GIS 3.1 - мощная настольная геоинформационная система.

1.2. Примеры пространственно-распределенных динамических многофакторных систем. Обзор существующих средств их моделирования и анализа.

1.2.1. Региональные межбюджетные и социально-экономические процессы. Анализ существующих методик моделирования и проектирования бюджета.

1.2.2. Образовательная отрасль и оценка эффективности ее деятельности. Качество образования.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

ПРОСТРАНСТВЕННО-РАСПРЕДЕЛЕННЫХ МНОГОФАКТОРНЫХ СИСТЕМ.

2.1. Прогнозирование параметров систем на базе Линейных многофакторных моделей и оценка доверительных интервалов.

2.1.1. Прогнозная функция на базе линейных многофакторных моделей.

2.1.2. Оценка прогнозной ошибки и определение доверительных интервалов для линейных многофакторных моделей.

2.2. Оценка качества функционирования ресурсообеспечиваемых систем на базе линейных многофакторных моделей с учетом мнения экспертов. Оптимальное управление ресурсами.

2.2.1. Однокритериальная модель.

2.2.2. Многокритериальная модель.

2.2.3. Учет инфляционной составляющей.

2.3. Оптимальный перенос ресурсов в пространственно-распределенной системе.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК И АЛГОРИТМОВ ИМИТАЦИОННОГО,

ПРОГНОЗНОГО И ПРОСТРАНСТВЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ МНОГОФАКТОРНЫХ СИСТЕМ.

3.1. Преобразование динамических моделей в код алгоритмического языка Pascal.

3.1.1. Анализ расчетов переменных системы при имитационном моделировании.

3.1.2. Разработка методики автоматизированного упорядочения вычислений темпов и вспомогательных переменных.

3.2. Разработка алгоритмов имитационного и прогнозного моделирования многофакторных систем.

3.2.1. Поиск наилучшей комбинации факторов для прогноза параметра.

3.2.2. Разработка методики моделирования и прогнозирования динамических многофакторных систем.

3.3. Пространственное моделирование и проектирование систем с применением ГИС-технологин.

3.3.1. Слои электронных карт.

3.3.2. База данных.

3.3.3. Аналитический блок.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ

МНОГОФАКТОРНЫХ ПРОСТРАНСТВЕННО-РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ НА ПРИМЕРЕ МНОГОУРОВНЕВЫХ СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ (ПО ДАННЫМ ВЛАДИМИРСКОЙ

ОБЛАСТИ).

4.1. Моделирование, анализ, прогноз бюджетных и социально-экономических процессов для проектирования регионального бюджета на примере Владимирской области.

4.1.1. Разработка мастера поиска прогнозных зависимостей.

4.1.2. Разработка системы анализа, моделирования, прогнозирования социально-экономических процессов и проектирования регионального бюджета.

4.1.3. Экспериментальная проверка применяемых методик прогнозирования сложных систем и оценки доверительных интервалов в проектировании регионального бюджета на примере фактических данных по Владимирской области.

4.2. Моделирование и повышение эффективности образовательного процесса.

4.2.1. Анализ параметров и экспертных оценок.

4.2.2. Разработка математической модели критерия оценки качества образования как показателя ресурсообеспечиваемой системы.

4.2.3. Учет инфляционной составляющей.

4.2.4. Максимизация критерия оценки качества образования.

4.2.5. Экспериментальные расчеты на базе математической модели критерия оценки качества образования и анализ результатов.

4.3. Пространственное моделирование региональной телекоммуникационной системы на примере Владимирской области.

4.4. Рациональное проектирование функционирования пространственнораспределенных систем на примере программы «Школьный автобус».

4.4.1. Слои электронных карт.

4.4.2. База данных.

4.4.3. Аналитический блок.

Выводы по главе 4:.

Актуальность работы

Современный этап развития информационных технологий характеризуется широким применением математических методов для анализа, моделирования, прогнозирования и проектирования пространственно-распределенных динамических многофакторных систем. Для улучшения эффективности функционирования таких систем, как правило, требуется формулирование достаточно общих закономерностей, которые при математической формализации задачи должны быть сведены к известным зависимостям. Для большинства рассматриваемых в диссертационной работе систем, например, социально-экономических, в силу их специфики, многофакторности и чувствительности к изменению внешних условий, вывод постоянно действующих закономерностей весьма затруднителен. Более того, такие системы взаимосвязаны с другими системами того же, более низкого или более высокого уровня. Поэтому разработка и создание достаточно общих методик применения современных информационных технологий и соответствующего математического обеспечения для автоматизированного проектирования программных средств, направленных на моделирование, анализ и прогнозирование, а также проектирование пространственно-распределенных динамических многофакторных систем является актуальной задачей, возможной, однако, при определенной аппроксимации.

Целью диссертационной работы является разработка методик и программных средств автоматизированного проектирования, направленных на моделирование, анализ и прогнозирование, а также проектирование пространственно-распределенных динамических многофакторных систем на базе изучения динамики развития процессов, лежащих в основе управления такими системами, и с использованием географических информационных систем - ГИС-технологий.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

• разработан метод преобразования динамических моделей, созданных на базе методов системной динамики, в коды компиляторов языков программирования высокого уровня;

• созданы алгоритмы для прогнозирования значений управляющих параметров на базе линейных многофакторных моделей с учетом колебаний и временных лагов для выявленных значимых факторов;

• предложена методика распределения ресурса изучаемой системы с учетом инфляционной поправки для многофакторной системы на базе общей статистической модели с критериями оценки качества ее функционирования, сформулированными экспертами;

• разработаны подходы и алгоритмы автоматизированного проектирования и созданы программные средства на основе алгоритмических языков высокого уровня для моделирования, анализа и прогнозирования значений управляющих параметров сложных систем на базе линейных многофакторных моделей и методов системной динамики, направленных на решение различных задач, включая проектирование пространственно-распределенных динамических многофакторных систем с использованием ГИС-технологий.

Научная новизна работы определяется решением задач в рамках поставленных целей соответствующими адекватными методами на базе математических подходов и современных информационных технологий, и сводится к следующему:

• разработан метод преобразования имитационных моделей, реализованных на базе методов системной динамики, в коды для компиляторов алгоритмических языков высокого уровня;

• созданы алгоритмы для прогнозирования значений управляющих параметров и оценки соответствующих доверительных интервалов на базе линейной многофакторной модели, которая учитывает временные лаги выделенных значимых факторов без необходимости их прогноза;

• разработана общая статистическая модель с критериями оценки качества функционирования многофакторной ресурсозависимой системы (на основе экспертных оценок для социально-экономической системы) и алгоритмы распределения ресурса с ф учетом инфляционной поправки.

Практическая ценность работы заключается в разработке алгоритмов автоматизированного проектирования и в создании с помощью алгоритмических языков высокого уровня и ГИС-технологий программных ft средств для моделирования, анализа и прогнозирования параметров сложных систем на базе линейных многофакторных моделей и методов системной динамики, которые позволяют осуществлять рациональное проектирование процессов, лежащих в основе управления пространственно распределенными динамическими системами с целью повышения их качества, а также ф снижения соответствующих затрат ресурсов. Используемый метод преобразования имитационных моделей в коды компиляторов алгоритмических языков высокого уровня позволяет значительно снизить стоимость программных комплексов, содержащих такие модели.

4 Реализация и внедрение результатов

Разработанные в диссертации модели, алгоритмы, программные и методические средства использовались при выполнении госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работах с участием автора в рамках ряда НТП Минобразования России и региональных программ.

Основные результаты работы внедрены в Счетной палате Владимирской области и в Департаменте образования Администрации Владимирской области, а также в Минобразовании России, во Владимирском государственном университете.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на следующих научно-технических совещаниях и конференциях:

- V международная конференция «Математические методы и информационные технологии в экономике», Пенза 2000;

- IV международная конференция «Идентификация систем и задачи управления», Москва, 26-28 сентября 2000 ИПУ им. Трапезникова РАН; .

- международная конференция «Гибридные системы MODEL VISION STUDIUM», Санкт-Петербург, 7-9 июня, 2001 г.

- международная конференция «Телематика 2001», Санкт-Петербург, 18-21 июня 2001 г;

- Всероссийская конференция «Телематика 2002» Санкт-Петербург, 3-6 июня 2002 г;

- Всероссийская конференция «Научные основы федерально-региональной политики в области образования», Владимир, 5-8 февраля 2002 г.

- международная конференция «Финансовый контроль и новые информационные технологии», Суздаль, 9-12 февраля, 2002 г.

- Всероссийская конференция «Современная образовательная среда», Москва, ВВЦ, 1-4 ноября 2002 г;

- II международная выставка-конференция «Информационные технологии и телекоммуникации в образовании», Москва, 6-9 апреля, 2000 г;

III выставка-ярмарка «Современная образовательная среда», Москва, ВВЦ, 21-24 ноября 2001 г;

IV выставка-ярмарка «Современная образовательная среда», Москва, ВВЦ, 1-4 ноября 2002 г.

Всероссийская конференция «Телематика 2003» Санкт-Петербург, 14-17 апреля 2003 г;

Всероссийская конференция-семинар «Российские регионы в современной системе непрерывного образования - на пути создания информационного общества», Владимир, 12-14 мая 2003 г. а защиту выносятся: метод преобразования имитационных моделей, реализованных на базе подходов системной динамики, в коды для компиляторов алгоритмических языков высокого уровня; общая статистическая модель с критериями оценки качества функционирования многофакторной ресурсозависимой системы (на основе экспертных оценок) и алгоритмы распределения ресурса с учетом инфляционной поправки (на примере социально-экономической системы по данным Владимирской области); алгоритмы моделирования и прогнозирования динамических многофакторных систем на базе методов системной динамики и линейных многофакторных моделей с применением языков программирования высокого уровня; подходы и алгоритмы проектирования и создания с помощью алгоритмических языков высокого уровня и ГИС-технологий программных средств для моделирования, анализа и прогнозирования параметров пространственно-распределенных динамических многофакторных систем.

Публикации

Основные результаты работы опубликованы в 23 изданиях, в т.ч. одной монографии, 13 статьях, а также представлены в научно-технических отчетах НИР в рамках ряда НТП Минобразования России и по региональным программам.

Объем и структура диссертации

Диссертация изложена на 171 страницах машинописного текста. Состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Список литературы содержит 101 наименование. Таблиц 17, рисунков 28.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, сводятся следующему.

1. Создана универсальная модель оценки качества функционирования многофакторной ресурсообеспечиваемой системы на базе линейных статистических моделей с учетом экспертных оценок, которая позволяет рационально распределять ресурсы системы.

2. Разработан метод преобразования имитационных моделей, реализованных на базе методов системной динамики, в коды для компиляторов алгоритмических языков высокого уровня, что позволяет в значительной степени снизить стоимость программных комплексов, содержащих такие модели.

3. Предложены алгоритмы автоматизированного рационального проектирования (с использованием ГИС-технологий) пространственно-распределенной системы, которая может быть представлена в виде группы подсетей, содержащих центральные ресурсообеспечивающие и второстепенные ресурсообеспечиваемые узлы. С помощью данных алгоритмов оказывается возможным рациональная транспортировка ресурсов в крупных сетях, которая была продемонстрирована на примере программы «Школьный автобус» Владимирской области.

4. Разработаны алгоритмы проектирования и создания с помощью алгоритмических языков высокого уровня и ГИС-технологий программных средств для моделирования, анализа и прогнозирования параметров сложных динамических систем на базе линейных многофакторных моделей и методов системной динамики, направленных на решение задач проектирования пространственно-распределенных динамических многофакторных систем. Эти программные средства предложено использовать для моделирования, анализа и прогнозирования бюджетных и социально-экономических процессов регионального уровня.

5. Осуществлено автоматизированное проектирование и созданы программные средства на базе разработанных моделей и алгоритмов для рационального проектирования пространственно-распределенных многофакторных динамических систем в условиях ограниченности ресурсов для ряда социально-экономических и других процессов (по данным Владимирской области). Данная методика автоматизированного проектирования доступна широкому кругу пользователей за счет низкой стоимости разработанных программных средств, использующих метод преобразования динамических моделей в код алгоритмического языка.

В заключении приношу благодарность и глубокую признательность моему научному руководителю проф. С.М. Аракеляну, научному консультанту доц. В.Г. Прокошеву за постоянную помощь и внимание к работе, моим соавторам, сотрудникам Департамента образования Администрации Владимирской области, Счетной палаты Владимирской области и Владимирского государственного университета за полезные рекомендации, предоставленные исходные данные и возможность работы по теме диссертации.

1. Эфрон. Б. Нетрадиционные методы многомерного статистического анализа. М.: ФиС, 1998. - 263 с.

2. С.А.Айвазян, И.С. Еноков, Л.Д. Мешалкин. Прикладная статистика = Applied statistics: исследование зависимостей. Справ, изд. /Под ред. С.А. Айвазяна. М.: ФиС, 1985. - 487 с.

3. С.А.Айвазян, И.С. Еноков, Л.Д. Мешалкин. Прикладная статистика = Applied statistics: основы моделирования и первич. обраб. данных. Справ, изд. /Под ред. С.А. Айвазяна. -М.: ФиС, 1985.-471 с.

4. С.А. Айвазян, В. С. Мхитарян. Прикладная статистика. Основы эконометрики. М.: ЮНИТИ, 2001 - 432 с.

5. Шеремет А.Д., Сайфулин Р.С., Е.В. Негашев. Методика финансового анализа. М.: Инфра, 2000. - 208 с.

6. Афанасьев В.Н., Юзбашев М.М. Анализ временных рядов и прогнозирование. М.: ФиС, 2001. - 228 с.

7. Черняк В.И. Прикладная эконометрика. М.: МГУ, 2001. - 112 с.

8. Кокс Д., ОуксД. Анализ данных типа жизни. М.: ФиС, 1998. — 317 с.

9. Джонстнон Дж. Эконометрические методы. М.: Статистика, 1980. — 240 с.

10. Лововский Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул. -М.: ВШ, 1998.-319 с.

11. Справочник по теории вероятности и математической статистике. /Под ред. B.C. Короток. -М,: Наука, 1985. 640 с.

12. Бронштейн КН., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗоВ М.: Наука, 1980. 960 с.

13. Юдин ДБ., Голъштейн Е.Г. Задачи и методы линейного программирования. -М.: Сов. радио, 1961.-491 с.

14. Катулев А.Н., Северг\ев Н.А. Исследование операций: принципы принятия решений и обеспечение безопасности. М.: Физматлит, 2001.-22 л.

15. Юдин Д.Б., Голъштейн Е.Г. Линейное программирование. Теория, методы и приложения. М.: Наука, 1969. - 424 с.

16. Мухачева Э.А., Рубинштейн Г.Ш. Математическое программирование. Новосибирск: Наука, 1977. 320 с.

17. Гермейер Ю.Б. Введение в теорию исследования операций. — М.: Наука, 1971.-272 с.

18. Исследование операций: задачи, принципы, методология /Вентцель Е.С.-2-е, стер. изд.-М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. — 208 с.

19. Ашманов С.А. Линейное программирование. — М.: Наука, 1981. 304 с.

20. Васильев Ф.П. Численные методы решения экстремальных задач. — М.: Наука, 1980.-552 с.

21. Васильев Ф.П. Методы решения экстремальных задач: задачи минимизации в функциональных пространствах, регуляризация, аппроксимация. М.: Наука, 1981,— 400 с.

22. Карманов В.Г. Математическое программирование. М.: Наука, 1986. -288 с.

23. Моисеев Н.Н., Иванилов Ю.П., Столярова Е.М. Методы оптимизации. — М.: Наука, 1978.-352 с.

24. Моисеев Н.Н. Человек, среда, общество: пробл. формализ. описания. — М.: Наука, 1982.-240 с.

25. Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа. М.: Наука, 1982.-320 с.

26. ХоллДж., УаттДж. Современные численные методы решения ОДУ. М.: Мир, 1979.-312 с.

27. Бахвалов Н. С., Жидков Н.П. Кобельков Г.М. Численные методы. М.: Наука, 1987.-60 с.

28. Самарский А.А., Михайлов А.П. Математическое моделирование. Идеи. Методы. Примеры. -М.: Физматлит, 2001. 320 с.

29. Бурков В.Н., Кондратьев В.В. Механизмы функционирования организационных систем. М.: Наука, 1982. - 463 с.

30. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. М.: ВШ, 1998. -319с.

31. Канторович JI.В. О методах анализа некоторых планово-экономических задач. //ДАН СССР. 1957. №3 - С. 441-444.

32. Канторович JI.B. Экономический расчет наилучшего использования ресурсов. -М.: Изд. АН СССР, 1959. 159 с.

33. Моделирование и управление процессами регионального развития. /Под ред. Васильева С.Н. М.: Физматлит, 2001. - 432 с.

34. Форрестер Дж. Динамика развития города — М.: Прогресс, 1974. -352 с.

35. Форрестер Дж. Мировая динамика — М.: Наука, 1978. 368 с.

36. Сидоренко В.Н. Системная динамика. М.:МГУ; ТЕИС, 1998. - 128 с.

37. Context sensitive help for Powersim Constructor Software. /Powesim AS, 1997

38. Экоинформатика. Теория. Парактика. Методы и системы / Под ред. В.Е. Соколова. СПб.: Гидрометиздат, 1992. - 520с.

39. Майкл Н. Де Мерс. Географические информационные системы. Основы. М.: Data+ Inc, 1999. - 290 с.

40. Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии. М.: ФиС. 1998г.-288 с.

41. А5.Ю.К. Королев. Общая геоинформатика. 41. Теоретическая Геоинформатика. М.: Data+ Inc, 1998г. - 118 с.

42. Берлянт A.M. Геоинформационное картографирование. — М.: МГУ им.М.В. Ломоносова, 1997. 160 с.

43. Кошаев А.В., Тикунов B.C. Региональные геоинформационные системы. -М.: Наука, 1987.-79 с.

44. Картография цифровая. Термины и определения: ГОСТ 28441-90. — М.: Изд. стандартов, 1990. 9 с.

45. ERDAS IMAGINE® Installation Guide / ERDAS®, Inc, Atlanta, Georgia, USA, 1999.-96 p

46. ESRI Shapefile Technical Description /ESRI White Paper, 1998. 34 p.

47. Internet Map Server/ESRI, 1999. 512 p.

48. AcrView Network Analyst / ESRI INC, USA, 1997. 96 p.

49. Avenue. Customization and Application Development for ArcView® GIS / ESRI INC, USA, 1996. 240 p.

50. ArcView Dialog Designer / ESRI INC, USA, 1997. 48 p.

51. Епанешников A.M., Епанешников В.A. Delphi. Язык Object Pascal. ДИАЛОГ МИФИ, 2000. - 368 с.

52. Delphi 3 и системы клиент/сервер. Руководство разработчика. /Кен Хендерсон. М.: Диалектика, 1997. - 720 с.

53. Налоговый кодекс Российской Федерации: постатейный комментарий 42. М.: ФиС, 2000 г. - 256 с.

54. Федеральный закон о счетной палате Российской Федерации. //Сб. законодательства РФ. 1995. №3. - 167 с.

55. Лебедев О.Е. Изменилась ли наша школа за двадцать лет. //Управление школой. 2000. № 43(190). - С. 22-27

56. Ы.Ясвин В. А. Экспертиза школьной образовательной среды. — М.: Сентябрь, 2000.- 176 с.

57. Аверкин В.Н., Иванова Н.М. Финансовая политика в сфере образования: вчера, сегодня, завтра. Новгород: Информ. изд. отд. НРЦРО, 1997. -46 с.

58. И.Б. Игностьева, С.Д. Коровкин, И.А. Левенец, И.В. Морозов, ИД. Ратманова, О.И. Чечулин, JI.B. Щавелев. Инфовизор комплекс инструментальных средств для поддержки принятия решений: Тез. докл. Всероссийской конф. — Ярославль, 2000.

59. ЗуевК.И., Богомазов И.А., Верховцева Н.А., Прокошев В.Г., Аракелян С.М. Информационная подсистема «ГИС-Лесные пожары»: Тез. докл. IV Всероссийской конф. М.: Российская академия гос. службы при Президенте РФ, 2000

60. Рощин С.В., Духанов А.В., Труфанов С.В., Прокошев В.Г., Аракелян С.М. Применение ГИС технологий в задачах оптимизации финансовых потоков: Тез. докл. 2-ой Межднар. выст.-конф. М.: ВВЦ, 2000.-С. 48-49.

61. Духанов А.В., Демидов КВ., Прокошев В.Г., Аракелян С.М. Преобразование системно-динамических моделей в код алгоритмического языка. Сб. науч. труд, в двух томах. Владимир-М.:, 2002. Т1.-С. 137- 143.

62. Духанов А.В., Прокошев В.Г., Аракелян С.М. Управление образовательными ресурсами в современных экономических условиях: Труды междунар. науч.-техн. конф. СПб.: Изд. СПбГТУ, 2001. -С. 100-103

63. Духанов А. В., Аракелян С. М., ДудинаН.В., Прокошев В. Г., Субботина Е.В. Эффективность образования в условиях ограниченного финансирования. //Школьные технологии. 2002. №5. - С. 78 - 94.

64. S0.Духанов А.В., Демидов КВ., Прокошев В.Г., Аракелян С.М. Разработка научно-методических основ для решения задач управления в социально-экономических системах. Сб. науч. труд, в двух томах. — Владимир-М., 2002. Т1. С. 459 - 473.

65. Аракелян СМ., ДудинаН.В., Прокошев В. Г., Субботина Е.В. Повышение эффективности образования в условиях ограниченного финансирования. Сб. науч. труд, в двух томах. Владимир-М., 2002. Т2.-С. 485-496.

66. Аракелян С.М., Демидов К.В., Духанов А.В., Корнилова Е.В., Прокошев В.Г. Разработка и создание системы мониторинга, анализа и прогнозирования развития образования и образовательных структур в РФ: Тез. докл. М.: ВВЦ, 2002. - С. 4 - 5.

67. Аракелян С.М., Духанов А.В., Коровин А.Н., Прокошев В.Г., Рощин С В. Использование современных информационных технологий в моделировании ценообразования на предприятиях связи. //Электросвязь. 2001. №4. - С. 36 - 38.

68. Аракелян СМ., Брехов А.Е., Духанов А.В., Коровин А.Н., Прокошев В.Г, Рощин С В. Новейшие технологии поддержки принятия решений. //Вестник связи. 2001. №4. - С. 119 - 121.

69. Коровин А.Н., Духанов А.В., Прокошев В.Г., Роъцин С.В., Демидов КВ., Аракелян С.М. Моделирование телекоммуникационной системы

70. Владимирской области с применением ГИС-технологий: Сб. науч. труд, в двух томах. Владимир-М.: 2002, Т.1.-С. 144- 153.

71. А.В. Духанов, С.В. Рощин, О.А. Титова, Л.И. Рожкова, В.Г. Прокошев, С.М. Аракелян. Современные информационные технологии на службу образованию. //Школьные технологии. 2002. №5. - С. 232 - 237.

72. Экспертно-аналитическая деятельность счетной палаты Российской Федерации. //Официальный сайт Счетной палаты РФ.http://ww w. ach. go у .ru/activ ity/ -M., 2001

73. Система поддержки принятия решений "Мониторинг и прогнозирование социально-экономического развития региона". //Официальный сайт ЗАО «Прогноз» -http://www.prognoz.ru/desigion/region.asp — М., 2001

74. Аналитический комплекс «Прогноз», //Официальный сайт ЗАО «Прогноз» http ://www.prognoz. ru/desigion/region .asp - M., 2001

75. Горбунов А.Р. Системная динамика. //Электронная библиотека статей экспертов и сотрудников фирмы ТОРА-Центр. — М.: ТОРА-Центр, 1999. http://www.tora -centre .ru/1 ibrary/index.htm

76. Характеристика региона. //Официальный сайт Администрации Владимирской области,http://www.avo.ru/content.php?menu=801 &page id= 10. Владимир, 2002

77. Выступления участников Всеросийского совещания работников образования. //Официальный сайт Министерства образования Российской Федерации:http://vmw.informlka.rU/text/magaz/herald/5 00/000-1 .html. М., 2000.

78. Автобус ПАЗ 3205 «Школьный». //Официальный сайт ОАО «Павловский автобус» http://wvvw.autobus.ru/school.htm, Павлово (Нижегородская обл.), 2001

79. Микроавтобус «ГАЗель» ГАЗ 3221, Официальный сайт ООО «Орбита моторе» http://www.orbita-motors.ru/pgazel3.htm, - М.,2002